林山水庫放水洞除險加固工程設計實例剖析

曲洪雷，蘭朝臣，李嚴坤

(1. 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2. 黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶163316)

1 工程概況

林山水庫位于黑龍江省綏化市蘭西縣榆林鎮(zhèn)東南3.5 km，呼蘭河支流八岔溝上游小支流，是一座以灌溉為主，結合防洪、旅游、養(yǎng)魚等綜合利用的小(2) 型水庫。林山水庫壩址以上集水面積3.75 km2。

水庫始建于1975年，于1976年竣工。坐水灌溉旱田300 hm2，共2個村屯，合計3 250人受益;養(yǎng)魚水面4.67 hm2。

林山水庫總庫容為22.2 ×104m3，根據國家《防洪標準》( GB50201—94) 及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》( SL252—2000) 的有關規(guī)定，確定本工程屬小( 2) 型水庫，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物土壩、放水洞為5 級。由于水庫最大壩高＜15 m，且上下游最大水頭差＜10 m，因此，水庫標準按平原區(qū)確定，參考林山水庫的原設計及安全鑒定成果，主要建筑物按10 a一遇洪水標準設計，20 a一遇洪水標準校核。

放水洞位于土壩右端，為壩下埋管，進口底檻高程149.00 m，為鋼筋混凝土箱涵，斷面尺寸0.9m( 寬) ×0.75m( 高) ，洞長15.0m。

放水洞出口有漏水現象，涵洞與消力池連接部位錯位寬度達50 cm;消力池翼墻傾斜、錯位、斷裂，翼墻左側回填土被掏空;下游無海漫段，沖刷嚴重。放水洞閘門銹蝕變形嚴重，閘門漏水;啟閉機的螺桿有彎曲，機座和箱體零件不完整，閘門和啟閉機均已不能正常運行。

2 放水洞設計

2.1 規(guī)模確定

本次設計擬拆除重建放水洞。放水洞擬采用壩下埋管，進口底檻高程維持原進口底檻高程149.00 m，考慮工程施工及運行檢修要求，斷面尺寸為1.5m×1.8m×1 孔。按擬定的放水洞規(guī)模進行洪水調節(jié)計算，放水洞最大泄量＞最大入庫洪峰流量，設計、校核洪水位均等于正常蓄水位152.00 m，因此，放水洞斷面尺寸按施工及檢修要求設計，確定為1.5m ×1.8m×1 孔。

2.2 結構布置和材料

拆除重建放水洞位于土壩右端，軸線樁號為壩0 +155.5m，為壩下埋管，由前至后分別由進口段、取水塔、洞身段、消力池段、海漫段等組成。

1) 進口段:采用鋼筋混凝土U 型槽結構，長5.0 m，凈寬1.5 m，底板頂高程為149.00 m。

2) 取水塔: 取水塔長5.5 m，凈寬1.5 m，底板頂高程149.00 m，底板厚1.0 m，邊墻厚1.0 m，取水塔內設工作門、檢修門;為了安裝檢修時搬運方便，取檢修平臺高程同壩頂高程為153.90 m;按閘門安裝﹑檢修時的懸吊高度，確定啟閉平臺高程為157.40 m，啟閉平臺上設有2 臺螺桿式啟閉機。

3) 洞身段:為鋼筋混凝土箱涵，總長14 m，洞高1.8 m，洞寬1.5 m，比降為1∶100。

4) 消力池段:采用鋼筋混凝土U 型槽結構，設直跌式二級消力池;一級消力池長18 m，凈寬由1.5 m變至2.66 m，深1.9 m; 二級消力池長13 m，凈寬由2.66 m 變至3.5 m，深1.5 m。

5) 海漫段: 海漫段長23.0 m，采用30 cm厚的干砌石護砌，下設砂礫石墊層20 cm及400 g/m2無紡布一層，后接拋石防沖槽。海漫段后接約48 m長的尾水渠與下游河道相接。

建筑物基礎為低液限黏土層，基礎埋深小于設計凍深，考慮防止凍漲破壞，基礎采用鋪設保溫板的防凍措施。

2.3 設計計算

2.3.1 過流能力計算

采用《灌溉與排水工程設計規(guī)范》( GB50288—99) 中計算公式。若h1( 涵洞進口水深) ≤1.2 D ( 洞高) ，為無壓力流;若1.2D ＜h1≤1.5D，為半壓力流;若h1＞1.5D，為壓力流。放水洞進口水深為3.0 m，＞1.5 D( 洞高) ，為有壓流，按壓力流自由出流公式計算。計算公式為:

式中: m 為壓力流時的流量系數; i 為洞底比降; L 為涵洞長度，m; β 為修正系數，取0.85; ∑ζ 為局部水頭損失系數的總和; R 為水力半徑，m; C 為謝才系數; A 為涵洞斷面面積，m2;g 為重力加速度，取9.81m/s2; H0為計及流速水頭的涵洞進口水頭，m。

經計算，放水洞設計、校核工況下計算流量均為10.74 m3/s，遠大于要求泄量5.78 m3/s和8.66 m3/s，過流能力滿足設計要求。

2.3.2 消能計算

放水洞采用底流消能，消能計算包括:

2.3.2.1 消力池深度計算

計算公式采用《水閘設計規(guī)范》( SL265—2001) 推薦公式計算。

1) 收縮水深可按下式計算:

2) 躍后水深可按下式計算:

3) 出池落差可按下式計算:

4) 消力池深度可按下式計算:

式中: d 為消力池深度，m; σ0為水躍淹沒系數，采用1.1; hc″為躍后水深，m; hc為收縮水深，m; α 為水流動能校正系數，采用1.05; q 為過閘單寬流量，m2/s; b1為消力池首端寬度，m; b2為消力池末端寬度，m; T0為由消力池底板頂面算起的總勢能，m;Δz 為出池落差，m;hs'為下游水深，m。

2.3.2.2 消力池長度計算

式中: L 為消力池長度，m; φ 為流速系數，取1.0; H0為計及流速水頭的上游水頭，m; H 為上游水頭，m; P 為跌差，m。

2.3.2.3 海漫長度計算

式中: Lp為海漫長度，m; qs為消力池末端單寬流量，m2/s; Ks為海漫長度計算系數，取9。消能計算結果見表1 。

表1 放水洞消能計算結果表

根據上述計算成果，消能設施采用情況分述如下: 一級消力池長18 m，深1.9 m; 二級消力池長13 m，深1.5 m，海漫長23 m。

2.3.3 滲流穩(wěn)定計算

放水洞基礎為低液限黏土，采用改進阻力系數法進行滲流穩(wěn)定驗算。

2.3.3.1 地基有效深度計算

式中: Te為土基上水閘的地基有效深度，m; L0為地下輪廓的水平投影長度，m; S0為地下輪廓的垂直投影長度，m。

當計算的Te值大于地基實際深度時，Te值按地基實際深度采用。

2.3.3.2 分段阻力系數計算

1) 進、出口段計算公式為:

式中: ξ0為進、出口段的阻力系數; S 為板樁或齒墻的入土深度，m; T 為地基透水層深度，m。

2) 內部垂直段的計算公式為:

式中: ξy為內部垂直段的阻力系數。

3) 水平段計算公式為:

式中: ξx為水平段阻力系數; Lx為水平段長度，m; S1、S2為進、出口板樁或齒墻的入土深度，m。

2.3.3.3 各分段水頭損失值

式中: hi為各分段水頭損失值，m; ξi為各分段的阻力系數; n為總分段數。

2.3.3.4 進、出口段修正后的水頭損失值計算

計算公式為:

式中: h0' 為進、出口段修正后的水頭損失值，m; h0為進、出口段水頭損失值，m; β' 為阻力修正系數，當計算的β' ≥1.0時，采用β' =1.0 S' 為底板埋深與板樁入土深度之和，m; T'為板樁另一側地基透水地基深度，m。

2.3.3.5 出口段滲流坡降值

式中: J 為出口段滲流坡降值。

經計算，放水洞水平段滲流坡降值為0.136 ＜允許水平滲流坡降值［J水平］=0.4，出口段滲流坡降值為0.335 ＜允許滲流坡降值［J出口］=0.7，放水洞抗?jié)B穩(wěn)定性滿足設計要求。

2.3.4 放水洞穩(wěn)定計算

2.3.4.1 抗滑穩(wěn)定計算

根據《水閘設計規(guī)范》( SL265—2001) ，取水塔、擋土墻沿基底面抗滑穩(wěn)定的安全系數及基底應力按下列公式計算:

式中: Kc為沿取水塔、擋土墻基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數; f為取水塔、擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數，取0.3;∑H 為作用在取水塔、擋土墻上的全部水平向荷載; ∑G 為作用在取水塔、擋土墻上的全部豎向荷載，kN;為取水塔、擋土墻基底應力的最大值或最小值，kPa; ∑M 為作用在取水塔、擋土墻上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m; A 為取水塔、擋土墻基底面的面積，m2; W 為取水塔、擋土墻基底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，m3。

2.3.4.2 抗浮穩(wěn)定計算

根據《水利水電工程進水口設計規(guī)范》( SL285—2003) ，取水塔抗浮穩(wěn)定按下列公式計算:

式中: ∑V 為建基面上垂直力總和; ∑U 為建基面上揚壓力總和; Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數。

2.3.4.3 擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定安全系數

計算公式為:

式中: K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數; ΣMV為對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m; ΣG 為對擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。放水洞穩(wěn)定計算成果見表2、表3。

表2 取水塔穩(wěn)定及應力計算成果表

表3 擋土墻穩(wěn)定計算成果表

由表2、表3 可知，取水塔、擋土墻最大基底應力≤地基容許承載力160kPa，大小應力比小于規(guī)范允許值，抗滑、抗浮及抗傾覆穩(wěn)定安全系數大于規(guī)范允許值，取水塔、擋土墻穩(wěn)定能夠滿足設計要求。

3 結 語

水庫除險加固后，提高水資源調控能力，完善防洪體系。為下游農業(yè)生產提供有力條件，增加農民收入，為促進社會穩(wěn)定發(fā)展，提高種植業(yè)經濟效益，加快區(qū)域地方政治、經濟、文化等發(fā)展起到積極的作用。

［1］中華人民共和國水利部. GB50201—94 防洪標準［S］. 北京:中國計劃出版社，1994.

［2］江蘇省水利勘測設計研究院. SL265—2001 水閘設計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［3］中華人民共和國水利部. GB50288—99 灌溉與排水工程設計規(guī)范［S］. 北京:中國計劃出版社，1999.

［4］水利部長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設計研究院. SL285—2003水利水電工程進水口設計規(guī)范［S］. 北京: 中國水利水電出版社，2003.